(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-08
(45)【発行日】2025-01-17
(54)【発明の名称】点火式の内燃機関
(51)【国際特許分類】
F02P 3/01 20060101AFI20250109BHJP
F02B 23/08 20060101ALI20250109BHJP
【FI】
F02P3/01 A
F02B23/08 L
(21)【出願番号】P 2020164416
(22)【出願日】2020-09-30
【審査請求日】2023-08-22
(73)【特許権者】
【識別番号】000005348
【氏名又は名称】株式会社SUBARU
(74)【代理人】
【識別番号】110000419
【氏名又は名称】弁理士法人太田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 恒
(72)【発明者】
【氏名】塚崎 裕一郎
【審査官】上田 真誠
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第2016/0069320(US,A1)
【文献】特開2018-071468(JP,A)
【文献】特開2018-141391(JP,A)
【文献】特開2017-180271(JP,A)
【文献】特開2008-140584(JP,A)
【文献】特開2009-191732(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02P 3/01
F02P 23/04
F02B 23/08
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
気筒の燃焼室内に形成される混合気に点火する点火式の内燃機関であって、
前記気筒内を往復移動するピストンと、
前記燃焼室の内面に配置された複数のプラズマアクチュエータと、を備え、
前記内燃機関の吸気行程
の初期において前記複数のプラズマアクチュエータのうちの少なくとも一部を駆動し
、前記気筒の上から下方に向かう噴流を
前記プラズマアクチュエータから発生させて前記気筒内に吸気を導入し、
前記複数のプラズマアクチュエータのうちの少なくとも一部を駆動して前記気筒内の混合気に点火し、
前記内燃機関の排気行程において前記複数のプラズマアクチュエータのうちの少なくとも一部を駆動し
、前記気筒の下から上方に向かう噴流を
前記プラズマアクチュエータから発生させて前記気筒内から排気する、点火式の内燃機関。
【請求項2】
前記複数のプラズマアクチュエータは、前記内燃機関の前記気筒の内周面の全周に亘ってリング状に設けられる、請求項1に記載の点火式の内燃機関。
【請求項3】
前記複数のプラズマアクチュエータは、発生する噴流の向きが互いに逆向きの二つのプラズマアクチュエータを含み、
前記内燃機関の吸気行程
の初期において前記複数のプラズマアクチュエータのうちの少なくとも一部を駆動し
、前記気筒の上から下方に向かう噴流を
前記プラズマアクチュエータから発生させて前記気筒内に吸気を導入し、
前記複数のプラズマアクチュエータのうちの発生する噴流の向きが互いに逆向きの前記二つのプラズマアクチュエータを駆動して前記気筒内の混合気に点火し、
前記内燃機関の排気行程において前記複数のプラズマアクチュエータのうちの少なくとも一部を駆動し
、前記気筒の下から上方に向かう噴流を
前記プラズマアクチュエータから発生させて前記気筒内から排気する、請求項1又は2に記載の点火式の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、点火式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【0002】
車両等に搭載される内燃機関として、燃料と空気の混合気を気筒の燃焼室に形成するとともに、当該混合気に点火することによって混合気を燃焼させて、出力を得る点火式内燃機関が知られている。混合気に点火する点火装置としては、特許文献1に記載されているように、先端部を燃焼室内に露出させて内燃機関のシリンダヘッドに取付けられた点火プラグが一般的に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、点火装置として点火プラグを用いる場合、点火プラグを内燃機関に取付けるための部品も必要になり、内燃機関の重量の増加の一因となっている。また、点火装置として点火プラグを用いる場合、点火プラグを取り付けるための挿入孔をシリンダヘッドに設ける必要があり、シリンダヘッドの強度が低下するおそれがある。特に、内燃機関の出力を効率的に得るために燃焼室内の圧力を高圧化するにあたり、点火プラグの挿入孔が設けられている状態で内燃機関の強度を確保した場合には重量の増加の一因となり得る。
【0005】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、内燃機関の強度を高めることができるとともに、内燃機関の重量を低減可能な点火式の内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、気筒の燃焼室内に形成される混合気に点火する点火式の内燃機関であって、点火装置としてプラズマアクチュエータを備えた点火式の内燃機関が提供される。
【0007】
上記の内燃機関において、点火装置としてのプラズマアクチュエータは、さらに気筒内の混合気の流れの制御に用いられてもよい。
【0008】
上記の内燃機関において、点火装置としてのプラズマアクチュエータは、さらに気筒内の排気の流れの制御に用いられてもよい。
【0009】
上記の内燃機関において、プラズマアクチュエータは、内燃機関の燃焼室の内周面の全周に亘ってリング状に設けられてもよい。
【0010】
上記の内燃機関において、点火装置としてのプラズマアクチュエータは、発生する噴流の向きが互いに逆向きの二つのプラズマアクチュエータを含んでもよい。
【発明の効果】
【0011】
以上説明したように本発明によれば、内燃機関の強度を高めることができるとともに、内燃機関の重量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】本発明の実施の形態に係る内燃機関の構成例を示す模式図である。
【
図2】同実施形態に係るプラズマアクチュエータの構成例を示す説明図である。
【
図3】同実施形態に係るプラズマアクチュエータを複数に分割して配置した例を示す模式図である。
【
図4】同実施形態に係るプラズマアクチュエータを複数に分割して配置した例を示す模式図である。
【
図5】同実施形態に係る内燃機関の別の構成例を示す模式図である。
【
図6】同実施形態に係るプラズマアクチュエータの別の構成例を示す説明図である。
【
図7】二つのプラズマアクチュエータが互いに噴流を打ち消し合う様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0014】
図1は、本発明の実施の形態に係る内燃機関10の構成例を示す模式図である。
図1は、内燃機関10に設けられた複数の気筒のうちの一つの気筒19についての構成例を示している。
【0015】
本実施形態に係る内燃機関10は、いわゆる4ストローク式の点火式ガソリンエンジンとして構成されている。内燃機関10は、例えば自動車に搭載されて自動車の動力源として機能する。内燃機関10は、点火式の内燃機関10であれば、いわゆる2ストローク式の内燃機関であってもよく、ガソリン燃料以外の燃料を用いる内燃機関であってもよい。
【0016】
内燃機関10は、シリンダブロック11及びシリンダヘッド13を備えている。シリンダブロック11には、略円筒状のシリンダボア11aが形成されている。シリンダヘッド13には、シリンダボア11aに繋がるようにして略円筒状の凹部13aが形成されている。これらのシリンダボア11a及び凹部13aにより気筒19が構成される。
【0017】
内燃機関10は、それぞれの気筒19に対応して、ピストン15、コネクティングロッド17、吸気弁23及び排気弁27を備えている。ピストン15は、気筒19内を摺動自在に収容されている。気筒19のうち、ピストン15により区画された空間が燃焼室5として機能する。
【0018】
コネクティングロッド17の一端側はピストン15に連結されている。コネクティングロッド17の他端側は図示しないクランクシャフトに連結されている。つまり、ピストン15は、コネクティングロッド17を介してクランクシャフトに連結され、ピストン15の往復動作によりクランクシャフトが回転し、内燃機関10から動力が出力される。
【0019】
気筒19には、燃焼室19aに連通する吸気ポート21及び排気ポート25が接続されている。吸気ポート21には吸気弁23が設けられ、排気ポート25には排気弁27が設けられている。吸気弁23は、吸気ポート21が燃焼室19aへ開口する部位に配置され、図示しない復帰用バネにより閉弁方向に常時付勢されている。吸気弁23は、図示しない吸気カムにより開弁方向に移動可能になっている。吸気カムは、タイミングベルト又はチェーンを介してクランクシャフトに連結されたカムシャフトとともに回転する。かかる吸気カムの回転に伴って、吸気弁23は、吸気ポート21を燃焼室19aに対して開閉させる。
【0020】
同様に、排気弁27は、排気ポート25が燃焼室19aへ開口する部位に配置され、図示しない復帰用バネにより閉弁方向に常時付勢されている。排気弁27は、図示しない排気カムにより開弁方向に移動可能になっている。排気カムは、タイミングベルト又はチェーンを介してクランクシャフトに連結されたカムシャフトとともに回転する。かかる排気カムの回転に伴って、排気弁27は、排気ポート25を燃焼室19aに対して開閉させる。
【0021】
気筒19には、先端が燃焼室19aに臨むように配置された図示しない燃料噴射弁が設けられている。燃料噴射弁は、例えばシリンダブロック11の壁面に固定される。燃料噴射弁は、主として吸気行程において燃焼室19a内に燃料を噴射する。これにより、燃焼室19a内に、吸気と燃料との混合気が形成される。
【0022】
気筒19には、点火装置としてプラズマアクチュエータ30が設けられている。プラズマアクチュエータ30は、可動部を持たない比較的簡易な構成の流体制御装置である。プラズマアクチュエータ30は、電気的な駆動によってプラズマを発生させる機能を有することから、本実施形態に係る内燃機関10においては混合気に点火する点火装置として用いられる。
【0023】
本実施形態において、プラズマアクチュエータ30は、シリンダヘッド13の凹部13aの内周面に、全周に亘ってリング状に設けられている。ただし、プラズマアクチュエータ30の配置位置は、ピストン15の上死点よりもシリンダヘッド13側の燃焼室19aの内部であれば特に限定されるものではない。
【0024】
図2は、プラズマアクチュエータ30の一構成例を示す説明図である。
図2は、
図1中に一点鎖線で示した領域Aを拡大して示している。
図2に例示したプラズマアクチュエータ30は、誘電体バリア放電プラズマアクチュエータ(DBD-PA)であり、絶縁層31、誘電体33、表面電極35及び裏面電極37を備えている。
【0025】
絶縁層31は、電気絶縁性を有する材料からなり、シリンダヘッド13の内周面上に形成され、シリンダヘッド13と誘電体33、表面電極35及び裏面電極37とを電気的に絶縁する。絶縁層31を構成する材料は、例えばシリコン樹脂又はフッ素樹脂等の樹脂、あるいは、ガラス、セラミック等の適宜の絶縁材料を用いることができる。
【0026】
誘電体33は、電気絶縁性を有する材料からなり、絶縁層31上に積層されている。誘電体33を構成する材料は、例えばシリコン樹脂、フッ素樹脂又はポリイミド樹脂等の樹脂、あるいは、ガラス、セラミック等の適宜の絶縁材料を用いることができる。
【0027】
表面電極35及び裏面電極37は、銅やグラファイト等の導電性の材料からなり、誘電体33を挟んでその両面に配置されている。表面電極35は、燃焼室19aに露出して設けられ、燃焼室19a内で放電可能に構成されている。裏面電極37は接地されており、裏面電極37側で放電が生じないように誘電体33及び絶縁層31により絶縁されている。
【0028】
表面電極35及び裏面電極37に対して所定の周波数の交流電圧又はパルス電圧を印加することにより誘電体バリア放電が生じ、表面電極35の表面近傍にプラズマが生成され、表面電極35から裏面電極37へ向かう向きにプラズマジェットが発生する。燃焼室19a内に混合気が形成された状態でプラズマアクチュエータ30を駆動することにより、生成されるプラズマによって混合気に点火され、混合気が燃焼する。本実施形態に係る内燃機関10では、プラズマアクチュエータ30が、シリンダヘッド13の凹部13aの内周面の全周に亘って配置されているため、燃焼室19a内の混合気を均一に燃焼させることができる。
【0029】
なお、プラズマアクチュエータ30は、燃焼室19aの内周面に、全周に亘って配置される構成に限定されない。プラズマアクチュエータ30は、燃焼室19aの内周面のうちの一部に配置されていてもよく、複数に分割して配置されていてもよい。この場合、燃焼室19a内に形成される混合気の流れの状態を考慮して、プラズマアクチュエータ30の配置位置を決定することが好ましい。例えば、燃焼室19a内に形成される混合気の密度分布を考慮して、混合気の密度が高くなる位置にプラズマアクチュエータ30を配置することにより、混合気の燃焼効率を高めることができる。
【0030】
あるいは、プラズマアクチュエータ30を複数に分割して配置し、内燃機関10の運転状態によって形成される混合気の流れの状態を考慮して、点火装置として駆動させるプラズマアクチュエータ30を選択してもよい。
【0031】
プラズマアクチュエータ30は、燃焼室19aの内周面のいずれかの位置に取付けることができるため、シリンダブロック11又はシリンダヘッド13の強度を低下させるほどの挿入孔を要しない。このため、内燃機関10の強度を高めることができる。また、プラズマアクチュエータ30は、絶縁層31及び誘電体33と、誘電体33の両面に配置された層状の表面電極35及び裏面電極37とにより構成される簡易な構成であり、また、プラズマアクチュエータ30を取り付けるための部品点数が増えることもないため、点火プラグを用いる場合に比べて内燃機関10の重量を低減することができる。
【0032】
また、プラズマアクチュエータ30を点火装置として用いることにより、プラズマアクチュエータ30の駆動時に発生するプラズマジェットを利用して、燃焼室19a内の混合気の流れを制御することもできる。このため、プラズマアクチュエータ30を用いて、燃焼室19aにおける混合気の燃焼特性を制御することもできる。
【0033】
さらに、混合気の点火時期以外のタイミングでプラズマアクチュエータ30を駆動させることにより、発生するプラズマジェットを利用して、燃焼室19a内の混合気又は排気の流れを制御することもできる。例えば、吸気行程において燃焼室19a内に燃料が噴射される前にプラズマアクチュエータ30を駆動させて吸気の流れを制御し、その後に噴射される燃料が混合されて形成される混合気の流れを制御してもよい。これにより、燃焼室19aにおける混合気の燃焼特性を制御することができる。あるいは、排気行程において、排気が排気ポート25へ向かうようにプラズマアクチュエータ30を駆動させてもよい。これにより、排気効率を向上させ、続く吸気行程における吸気の充填効率を向上させることができる。
【0034】
図3及び
図4は、プラズマアクチュエータを複数に分割して配置した例を示す模式図である。
図3に示す例では、気筒19のうち燃焼室19aに対応する領域の内周面に、4分割されたプラズマアクチュエータ40a,40b,40c,40dが配置されている。この場合、例えば吸気行程の初期において、気筒19の上から下方に向かってプラズマジェットが発生するようにプラズマアクチュエータ40a~40dを駆動させる。これにより、吸気の充填効率を高めることができる。また、膨張行程(爆発行程)の初期において、図示しない吸気ポートから気筒19内に導入される吸気と噴射燃料が混合されて形成される混合気の進行方向に位置する、排気ポート25側に配置された2つのプラズマアクチュエータ40a,40bを点火装置として駆動させる。これにより、混合気が着火される。また、排気行程において、気筒19の下から上方に向かってプラズマジェットが発生するようにプラズマアクチュエータ40a~40dを駆動させる。これにより、燃焼後の排気が排気ポート25へと効率的に排出され、続く吸気行程での吸気の充填効率を高めることができる。
【0035】
図4に示す例では、2分割されたプラズマアクチュエータ41a,41bが、排気ポート25の開口部の下側の内面と、排気ポート25の開口部の上側の気筒19の最頂部に配置されている。この場合、例えば吸気行程の初期において、気筒19の上から下方に向かってプラズマジェットが発生するようにプラズマアクチュエータ41a,41bを駆動させる。これにより、吸気の充填効率を高めることができる。また、膨張行程(爆発行程)の初期において、図示しない吸気ポートから気筒19内に導入される吸気と噴射燃料が混合されて形成される混合気の進行方向に位置する、排気ポート25側に配置された2つのプラズマアクチュエータ41a,41bを点火装置として駆動させる。これにより、混合気が着火される。また、排気行程において、排気ポート25に向かってプラズマジェットが発生するようにプラズマアクチュエータ41a,41bを駆動させる。これにより、燃焼後の排気が排気ポート25へと効率的に排出され、続く吸気行程での吸気の充填効率を高めることができる。
【0036】
一方、プラズマアクチュエータ30を点火装置として駆動させる際に生じるプラズマジェットによる混合気の流れの変化を抑制するために、内燃機関10は、発生するプラズマジェット(噴流)の向きが互いに逆向きの二つのプラズマアクチュエータ30を備えていてもよい。
【0037】
図5は、発生するプラズマジェットの向きが互いに逆向きの第1のプラズマアクチュエータ30aと第2のプラズマアクチュエータ30bとを備えた内燃機関10の構成例を示す模式図である。
【0038】
第1のプラズマアクチュエータ30aは、シリンダヘッド13の凹部13aの内周面に、全周に亘ってリング状に設けられている。また、第2のプラズマアクチュエータ30bは、シリンダブロック11のシリンダボア11aの内周面に全周に亘ってリング状に設けられている。ただし、第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30bの配置位置は、ピストン15の上死点よりもシリンダヘッド13側の燃焼室19aの内部に隣り合わせで配置される限り特に限定されるものではない。
【0039】
図6は、第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30bの一構成例を示す説明図である。
図6は、
図5中に一点鎖線で示した領域Bを拡大して示している。
【0040】
第1のプラズマアクチュエータ30aの絶縁層31a、誘電体33a、表面電極35a及び裏面電極37aは、
図2に示したプラズマアクチュエータ30の絶縁層31、誘電体33、表面電極35及び裏面電極37と同様の積層構造を有する。第2のプラズマアクチュエータ30bは、表面電極35b及び裏面電極37bの配置位置が逆になっている以外、
図2に示したプラズマアクチュエータ30の絶縁層31、誘電体33、表面電極35及び裏面電極37と同様の積層構造を有する。つまり、第1のプラズマアクチュエータ30aでは、表面電極35aがシリンダヘッド13側、裏面電極37aがシリンダブロック11側に配置される一方、第2のプラズマアクチュエータ30bでは、表面電極35bがシリンダブロック11側、裏面電極37bがシリンダヘッド13側に配置されている。
【0041】
図7は、第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30bからそれぞれ発生する噴流を示す説明図である。
図7に示すように、第1のプラズマアクチュエータ30aから発生する噴流は、第2のプラズマアクチュエータ30bに向かって流れる一方、第2のプラズマアクチュエータ30bから発生する噴流は、第1のプラズマアクチュエータ30aに向かって流れる。このため、それぞれの噴流が打ち消され合い、第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30b全体として発生する噴流を抑制することができる。これにより、第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30bによる点火動作により、混合気の流れが変化することを抑制することができる。
【0042】
なお、第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30bからそれぞれ発生する噴流が完全に打ち消され合うようにするのではなく、それぞれ発生する噴流が完全に打ち消され合う部分、第1のプラズマアクチュエータ30aから発生する噴流が残される部分、第2のプラズマアクチュエータ30bから発生する噴流が残される部分を適切に配分して設計してもよい。これにより、第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30bによる点火動作に伴って発生するプラズマジェットにより、燃焼室19a内の混合気の流れの状態を制御することができる。
【0043】
以上説明したように、本実施形態に係る内燃機関10は、点火装置として簡易な構成からなるプラズマアクチュエータ30を備えている。このため、点火プラグを設ける必要がなく、点火プラグ及び点火プラグを取り付けるための部品をなくすことができ、内燃機関10の重量を低減することができる。また、プラズマアクチュエータ30は、燃焼室19aの内周面の適宜の位置に取付けることができるため、点火プラグの挿入孔のような強度を低下させ得る孔を、シリンダヘッド13あるいはシリンダブロック11に設ける必要がない。したがって、内燃機関10の強度を高めることができるとともに、強度の低下を補強するための構造による重量の増加を抑制することができる。
【0044】
また、本実施形態に係る内燃機関10では、点火装置としてのプラズマアクチュエータ30の配置位置の自由度が高められる。したがって、燃焼室19aの形状等、内燃機関10の設計の自由度を拡大することができる。
【0045】
また、本実施形態に係る内燃機関10において、プラズマアクチュエータ30は、燃焼室19a内の混合気の流れの制御に用いられてもよい。これにより、均質燃焼あるいは成層燃焼等、混合気の燃焼特性を制御することができ、内燃機関10の効率あるいは燃費を向上させることができる。
【0046】
また、本実施形態に係る内燃機関10において、プラズマアクチュエータ30は、燃焼室19a内の排気の流れの制御に用いられてもよい。これにより、排気効率を向上させることができ、続く吸気行程における吸気の充填効率を高めることができる。
【0047】
また、本実施形態に係る内燃機関10において、プラズマアクチュエータ30が、燃焼室19a内の内周面に全周に亘ってリング状に設けられている。このため、燃焼室19a内の混合気に対する点火位置が拡大され、混合気を均一に燃焼させることができる。
【0048】
また、本実施形態に係る内燃機関10は、発生する噴流の向きが互いに逆向きの第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30bを含んでもよい。例えば、それぞれ発生する噴流が互いに打ち消されるように第1のプラズマアクチュエータ30a及び第2のプラズマアクチュエータ30bが配置されることにより、点火動作によって混合気の流れが変化することを抑制することができる。また、それぞれ発生する噴流が完全に打ち消され合う部分、第1のプラズマアクチュエータ30aから発生する噴流が残される部分、第2のプラズマアクチュエータ30bから発生する噴流が残される部分を配分することにより、点火動作に伴って発生する噴流により、混合気の流れを制御することができる。
【0049】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0050】
例えば、プラズマアクチュエータ30は、誘電体バリア放電プラズマアクチュエータに限られず、例えば、プラズマ発生領域が大きくなるように改良されたSliding Discharge(SD)式プラズマアクチュエータ等の他の公知のプラズマアクチュエータであってもよい。
【符号の説明】
【0051】
10…内燃機関、11…シリンダブロック、11a…シリンダボア、13…シリンダヘッド、13a…凹部、15…ピストン、19…気筒、19a…燃焼室、30・30a・30b…プラズマアクチュエータ、31…絶縁層、33…誘電体、35…表面電極、37…裏面電極